Ceri là một nguyên tố đất hiếm có số thứ tự 58 trong bảng hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học và cấu hình electron [Xe]4f15d16s. Hầu hết trong các hợp chất của mình, ceri thể hiện các mức oxy hóa Ce3+ và Ce4+ tương ứng với cấu hình electron [Xe]4f1 và [Xe].
Nano ceri oxit (CeO2) còn được gọi là ceria là một vật liệu quan trọng được quan tâm nghiên cứu nhiều, trong đó ceri có mức oxy hóa +4. Tinh thể CeO2 có cấu trúc dạng lập phương tâm mặt dạng florit (CaF2), thuộc nhóm đối xứng Fm3m. Trong mỗi ô cơ sở các ion Ce4+ nằm ở các đỉnh và tâm của mặt phẳng của ô cơ sở, nguyên tử oxy nằm ở các hốc tứ diện. Mỗi ion ceri có số phối trí bằng 8, đó là 8 ion oxy bao quanh và mỗi ion oxy có số phối trí bằng 4 tương ứng với 4 ion Ce4+ bao quanh [116]. Trong những thập kỷ qua, vật liệu CeO2 có cấu trúc nano đã được các nhà khoa học tập trung nghiên cứu phát triển phương pháp tổng hợp và ứng dụng. Nhiều dạng hình thái nano khác nhau của ceria đã được tổng hợp và nghiên cứu như cấu trúc nano một chiều, nano hai chiều và nano ba chiều, ngoài ra còn có cấu trúc đa cấp xốp, cấu trúc quả cầu rỗng cũng đã được điều chế và ứng dụng.
Có nhiều phương pháp nghiên cứu được sử dụng để điều chế nano CeO2 như thủy phân [41], kết tủa [87, 112, 143, 144], thủy nhiệt hoặc thủy dung môi [42, 115], đốt cháy [73, 98], sol – gel [56, 95], siêu âm hóa học [137], điện hóa [109] , vi nhũ tương [78, 139] … Quá trình tổng hợp bằng con đường hóa học ướt trong dung dịch đối với nano oxit kim loại nói chung và CeO2 nói riêng xảy ra qua hai bước là tạo mầm và phát triển mầm [13]. Các yếu tố quan trọng trong điều kiện tổng hợp ảnh hưởng đến hình thái sản phẩm nano đã được Cheon và cộng sự nghiên cứu. Kết quả cho thấy rằng các yếu tố trong giai đoạn tạo mầm, kiểm soát động học, nhiệt độ và điều khiển năng lượng hoạt hóa có chọn lọc của các bề mặt tinh thể thông qua việc sử dụng các phân tử đóng nắp là rất quan trọng đối với sự phát triển dị hướng
[58]. Bằng cách cân bằng và kiểm soát một cách tinh vi các thông số này, có thể kiểm soát hình dạng của các tinh thể nano CeO2.
Xúc tác dựa trên ceria có hoạt tính cao có thể được điều chế bằng cách kiểm soát quá trình tổng hợp để tạo ra các hình thái và cấu trúc vi mô theo mong muốn ban đầu với khuyết tật vị trí oxy trong mạng tinh thể có được kiểm soát. Sự phụ ảnh hưởng của hình thái ceria đến hoạt tính xúc tác được Zhentao Feng và cộng sự công bố nghiên cứu trong phản ứng đốt cháy toluen với xúc tác là dạng hình que, hình cầu rỗng và hình lập phương (Hình 1.7) của ceria. Kết quả cho thấy dạng quả cầu rỗng cho hiệu suất chuyển hóa cao nhất đạt 90% ở 207 oC [35]. Phản ứng đốt cháy metan trên xúc tác ceria dạng lá cho hiệu suất cao hơn dạng tấm [63]. Hai công trình này cho thấy hiệu quả xúc tác phụ thuộc nhiều vào hình thái của nano ceria, cấu trúc có diện tích bề mặt lớn hơn sẽ thường cho hiệu suất cao hơn.
Hình 1.6. Ảnh SEM và TEM nano que CeO2 (aec), quả cầu rỗng CeO2 (def), và khối lập phương CeO2 (gei) [35].
Bên cạnh vật liệu ceria đơn pha, hiện này các công trình tập trung nghiên cứu dạng vật liệu composit và pha tạp của ceri với các nguyên tố khác, các nghiên cứu đã cho thấy rằng khi pha tạp một lượng nhỏ kim loại khác vào cấu trúc ceria sẽ làm thay đổi tính chất lý – hóa và quang, hoạt tính xúc tác [24, 47] cũng như ảnh hưởng đến cấu trúc của vật liệu nano CeO2 [3]. Điều này tạo nên những tính chất độc đáo cho vật liệu pha tạp mới và chúng thu hút được sự quan tâm nghiên cứu của nhiều nhóm trên thế giới.
Hình 1.7. Cấu trúc mạng lưới tinh thể CeO2 tinh khiết (trái) và pha tạp (phải) [70]. Các công trình tiêu biểu cho vật liệu nano CeO2 pha tạp ion kim loại có thể kể đến như công trình của Xian Cunni và cộng sự đã điều chế vật liệu nano CeO2 cấu trúc xốp hình hoa mẫu đơn pha tạp Ni2+ sử dụng tiền chất cerium (III) nitrat, muối Ni(NO3)2 và chất hoạt động bề mặt glucose, acrylamin đồng thời được sử dụng, pH dung dịch trong quá trình điều chế vật liệu pha tạp được điều chỉnh bằng dung dịch amoni [24]. Kết quả nghiên cứu chứng minh rằng hoạt tính xúc tác của vật liệu CeO2 chứa hàm lượng Ni khác nhau ảnh hưởng rất lớn đến hoạt tính oxy hóa CO và CH4. Akbari-Fakhrabadi cùng cộng sự đã công bố kết quả nghiên cứu sự ảnh hưởng của các ion đất hiếm hóa trị 3 đến cấu trúc của vật liệu CeO2 tinh khiết và CeO2 pha tạp các nguyên tố đất hiếm [3]. Kết quả chứng minh rằng quá trình điều chế vật liệu CeO2 bằng phương pháp đốt cháy khi có mặt các ion pha tạp làm thay đổi cấu trúc xốp của vật liệu. Piotr Kaminski đã công bố công trình chứng minh sự ảnh hưởng của thành phần hóa học vật liệu nano mạng lưới xốp của CeO2, ZrO2 và dạng pha tạp bề mặt bằng vàng và lưu huỳnh đến hoạt tính xúc tác cho quá trình oxy hóa glycerol trong nước [47]. Hoạt tính xúc tác của vật liệu pha tạp còn được thể hiện rõ trong công trình của Qi Fu và cộng sự [36]. Ở đây hoạt tính xúc tác của vật liệu Au- CeO2 cho phản ứng dịch chuyển nước – khí (WGR) ở nhiệt độ thấp phụ thuộc vào điều kiện phản ứng cũng như hàm lượng vàng có trong mẫu xúc tác. Tharani cùng cộng sự nghiên cứu tính chất siêu tụ điện của vật liệu CeO2/TiO2 thấy rằng vật liệu này có tính chất điện hóa thú vị, tính chất này phụ thuộc vào hàm lượng của TiO2
[105]. Tính chất từ của CeO2 cũng thay đổi khi Mantlikova và cộng sự nghiên cứu trên các vật liệu CeO2, CeO2/SiO2 pha tạp bằng các ôxit kim M2O3 loại khác nhau (Fe, Gd, Sm, Nd) được điều chế từ phương pháp đồng kết tủa và phương pháp sol- gel. Kết quả cho thấy tính chất từ của vật liệu thay đổi mạnh khi pha tạp với các oxit pha tạp khác nhau cũng như thành phần của các oxit pha tạp [76]. Jim-Long Her và cộng sự sử dụng phương pháp sol-gel, điều chế và khảo sát sự thay đổi của hàm lượng Sr đến hoạt tính của vật liệu pha tạp Ce2-xSrx(Zr0.53Ti0.47)Oy dùng trong cảm biến pH. Ngoài ra, vai trò của Ce3+ cũng được nhóm tác giả chứng minh đóng vai trò quan trọng trong độ nhạy của vật liệu với sự thay đổi pH [57].
Hình 1.8. Mức độ chuyển hóa CO trên các xúc tác ceria pha tạp [117].